Теорія і методи аналізу регіональних гідрохімічних систем (стр. 16 )

3.2. Структура та зміст методології дослідження гідрохімічних систем поверхневих вод

Дефініція гідрохімічної системи, її характеристика показали, що об’єктом дослідження є складне природне утворення з різноманітними функціями та властивостями. У вивченні гідрохімічних систем, як і всіх складних природних утворень, не може бути простих підходів. Методологія вивчення таких об’єктів повинна бути за своєю структурою та змістом адекватною об’єкту досліджень, або хоч наближатися до цих вимог.

Запропонована нами методологія дослідження гідрохімічних систем складається із трьох взаємодоповнюючих, і в той же час абсолютно автономних, методично наповнених блоків системного дослідження, які названі етапами аналізу гідрохімічної системи :

1) формування загальних уявлень про систему;

2) поглиблення уявлень про систему;

3) моделювання та прогнозування розвитку системи.

Кожен наступний етап досліджень є розвитком попереднього етапу, доповнює його. В той же час результати кожного етапу досліджень можуть розглядатися як завершені і використовуватися на практиці.

Нижче запропоновано характеристику методологічного ланцюга поетапного аналізу гідрохімічних систем з викладом суті окремих методик, що застосовуються в ньому.

3.3. Перший етап аналізу: формування

загальних уявлень про систему

На першому етапі аналізу гідрохімічних систем (рис.3.1) перш за все необхідно виявити з яких елементів складається система.

Для досягнення цієї мети проводиться детальне фізико-хімічне дослідження водного об’єкту, готується перелік розчинених у воді хімічних речовин. Виконується аналіз репрезентативності показників хімічного складу та якості води, виділяються показники, що лімітують використання води даного водного об’єкту для того чи іншого виду водокористування. Проводяться дослідження гідрохімічного режиму водного об’єкту з метою виявлення основних процесів формування хімічного складу води та практичних аспектів водокористування (встановлення лімітуючих періодів водоспоживання тощо).

Одночасно з цим проводиться збір інформації про екзосистемні чинники. Після цього здійснюється виявлення основних властивостей системи. За даними гідрохімічних спостережень, структурованими у просторі і часі, прослідковується відповідність даної структури параметрів та процесів, які вони характеризують, класичним уявленням про властивості гідрохімічних систем. Вже на цьому етапі досліджень можлива ідентифікація гідрохімічної системи як цілісного механізму речовинно-енергетичного обміну водного об’єкту з оточуючими його компонентами.

Рис. 3.1. Схема першого етапу аналізу гідрохімічної системи

(формування загальних уявлень про систему)

На наступній стадії аналізу здійснюється пошук речовинно-енергетичних «входів» та «виходів» гідрохімічної системи.

Виявляються джерела надходження речовин та енергії до водного об’єкту. Оцінюється надходження речовин з точкових та дифузних джерел, враховується роль вторинних джерел. Визначається роль транспортно-розподільчої функції гідрохімічної системи у виведенні забруднюючих речовин із водної екосистеми та розподілі їх у її компонентах (воді, завислих речовинах, донних відкладах, гідробіонтах). Кількісні та якісні характеристики “входів-виходів” гідрохімічної системи описуються рівнянням гідрохімічного балансу [192, 230, 256].

Далі виявляються елементи інших систем, які зв’язані речовинно-енергетичними зв’язками з елементами гідрохімічної системи.

На основі розробленої концептуальної моделі формування гідрохімічної системи, виявлених та описаних рівнянням гідрохімічного балансу її “входів-виходів” проводяться пошуки елементів у інших граничних системах, через які відбувається речовинно-енергетичний обмін. З метою поглибленого дослідження зовнішніх зв’язків гідрохімічної системи проводиться вивчення цих елементів [ 141], їх моніторинг.

Остання стадія першого етапу - дослідження характеру зв¢язків між елементами системи.

Проводиться дослідження зв¢язків між елементами системи за допомогою балансових, статистичних методів та створення найпростіших моделей.

3.4. Другий етап аналізу: формування

поглиблених уявлень про систему

На другому етапі досліджень на основі виявлених вже елементів системи та зв’язків між ними вивчається структура системи. Основними стадіями цього етапу аналізу є структурний аналіз системи, аналіз виявлених факторних зв’язків і структур та встановлення їх ієрархічності (рис. 3.2).

Аналіз другого етапу розпочинається з виявлення внутрішньої структури гідрохімічної системи. Для цього використовуються усі можливі бази даних та бази знань про систему. Успішність проведення цього та наступних етапів аналізу системи залежить насамперед від репрезентативності даних про систему і лише в другу чергу від застосованої методики дослідження та кваліфікації виконавця.

Саме тому від успішного виконання процедури виявлення елементів ГХС на першому етапі аналізу у значній мірі залежить ефективність і результативність проведення другого етапу.

Другий етап аналізу ГХС базується на двох розроблених нами на основі використання мультиваріаційних статистичних методів методиках [141]: методиці дослідження факторів формування гідрохімічних систем та методиці дослідження їх територіальної структури.

Рис. 3.2. Схема другого етапу аналізу гідрохімічної системи (формування поглиблених уявлень про систему)

3.4.1. Методика дослідження факторів

формування гідрохімічних систем

Адаптація понятійного та методологічного апарату багатовимірних методів до їх застосування в дослідженнях гідрохімічних систем. Завдяки регулярному проведенню гідрохімічних спостережень на водних об’єктах України, починаючи з 1946 року, вдалося створити потужні інформаційні бази даних, що характеризують хімічний склад та якість поверхневих вод. Проте рівень наукового осмислення, інтерпретації цієї інформації на процесному рівні залишається ще досить низьким.

Тому дослідження, що виконувались останні роки в Проблемній науково-дослідній лабораторії гідроекології і гідрохімії Київського національного університету імені Тараса Шевченка саме і були направлені на створення методик вирішення сучасних задач гідрохімічної науки [ 141,142].

В основу цих методик було покладено дві основні концепції, які базуються на досягненнях гідрохімічної науки:

1) про багатофакторність процесу формування хімічного складу та якості поверхневих вод;

2) про гідрохімічні системи поверхневих вод.

Саме багатофакторність процесів формування гідрохімічних систем і ускладнює їх вивчення, розробку науково-обґрунтованих заходів щодо раціонального використання та охорони природних вод.

Представлення даних моніторингових спостережень за хімічним складом води як характеристик гідрохімічних систем, що сформувалися у результаті багатофакторного впливу різних природних та антропогенних компонентів, є передумовою дослідження цих систем із використанням мультиваріаційних математичних методів.

Величини концентрацій хімічних речовин у воді та їх мінливість у часі, або просторі вже є першими ознаками дії тих чи інших факторів на формування гідрохімічних систем.

Виявлення та ідентифікація факторів формування гідрохімічних систем виконується за даними гідрохімічних спостережень з використанням методики, яка направлена на дослідження варіації хімічних елементів природних вод. В основу цієї методики покладено апарат факторного аналізу.

Суть факторного аналізу полягає у математично обґрунтованій заміні великої кількості показників, що характеризують процес формування гідрохімічного режиму ріки в цілому, меншою кількістю комплексних характеристик, які охоплюють домінуючі фактори цього процесу. Загальна схема такого методичного підходу представлена на рис. 3.3.

матриця

даних

кореляційна матриця

зразок

фактора

матриці

транспонована матриця

матриця

факторних

навантажень

Рис. 3.3. Схема факторного аналізу

В основі факторного аналізу лежить гіпотеза про те, що дані спостережень за хімічним складом води річки і сумісних середовищ – джерел надходження хімічних речовин являють собою лише опосередковані характеристики явища, що вивчається. Насправді ж існують параметри, які не спостерігаються безпосередньо, або властивості, число яких мале, однак, саме вони визначають значення рядів спостереження. Подібні “приховані” гіпотетичні параметри називають факторами. Основна мета факторного аналізу представити дані натурних гідрохімічних спостережень у вигляді лінійних комбінацій факторів і деяких додаткових залишків. Факторна модель дозволяє групувати перемінні за ступенем схожості їх змін у часі чи у просторі і при цьому робити попередній висновок про те, як співвідносяться між собою виділені групи змінних величин – концентрацій хімічних компонентів.

Важливо підкреслити, що факторний аналіз не потребує апріорних допущень відносно того, які перемінні залежні, а які незалежні. Виходячи з цього, дослідження статистичних зв`язків між тимчасовими рядами параметрів хімічного складу води і характеристиками теоретично можливих факторів є одним із шляхів переходу до вивчення механізму формування якості води. Його застосування дозволяє виявити головні фактори формування гідрохімічного режиму ріки і отримати статистичну оцінку внеску кожного із них на процеси, які вивчаються.

Попередня підготовка даних та формування вихідної матриці параметрів гідрохімічних систем. Для правильного виявлення факторів формування гідрохімічного режиму річок спочатку необхідно виконати процедуру ”стиснення” даних. Під цим поняттям розуміють зменшення розмірів матриці вихідних даних шляхом їх об’єктивного статистичного аналізу. Часто на даному етапі обробки інформації процедуру ”стиснення” заміняють чисто суб’єктивним вибором приоритетних показників (характеристик) із матриці вихідних даних. В подальшу обробку включають тільки ці вибрані дані. Але дана процедура можлива лише при умові обмеженого числа вихідних характеристик (20-30 показників).

У випадках, коли доводиться мати справу з великими інформаційними масивами [55], об’єктивний вибір пріоритетних показників із великого числа вихідних даних можливий лише за умови застосування об’єктивних мультиваріаційних методів аналізу інформаційних масивів.

Для ”стиснення” інформації добре підходить метод головних компонент. Метод головних компонент – один із методів факторного аналізу, що був розроблений Пірсоном та Хотелінгом [257-264]. Він є по суті методом розчленування кореляційної матриці на сукупність ортогональних векторів (компонент). Ці вектори відповідають власним векторам кореляційної матриці. За цим методом власні значення кореляційної матриці виділяються в порядку зменшення їх величини, що дуже важливо у випадках, коли до оцінки стоку досліджуваного водного об’єкту чи території його водозбору повинно бути використано тільки незначне число компонент.